I fisici tedeschi hanno scoperto una transizione di fase precedentemente sconosciuta in un condensato ottico di Bose-Einstein e un nuovo stato dei quanti di luce, una fase sovrastampata. I risultati, secondo gli autori, potrebbero in futuro essere importanti per l’implementazione di una comunicazione quantistica sicura. La ricerca sul nuovo stato di luce è pubblicata sulla rivista Science.
Nel 2010, i ricercatori dell’Università di Bonn sotto la guida del professor Martin Weitz (Martin Weitz) hanno ricevuto per la prima volta una sorgente di luce completamente nuova – un singolo “superfotone” costituito da molte migliaia di singole particelle di luce, una sorta di condensato di Bose-Einstein di particelle di luce.
Il condensato di Bose-Einstein è uno stato aggregato estremo della materia che si verifica solo a temperature vicine allo zero assoluto. Questo stato è caratterizzato dal fatto che le particelle in un tale sistema non sono più distinguibili. Queste particelle sono prevalentemente in uno stato quantomeccanico, cioè si comportano come una gigantesca “superparticella”, il cui stato può essere descritto solo da un’onda funzione.
Nel nuovo esperimento, gli scienziati hanno utilizzato la stessa configurazione che fecero dieci anni fa: hanno intrappolato particelle di luce in un risonatore costituito da due specchi curvi distanziati di poco più di un micrometro, che riflettono un fascio di luce veloce e alternativo. Lo spazio tra gli specchi è riempito con una soluzione colorante liquida che raffredda i fotoni.
Ciò si ottiene grazie al fatto che le molecole del colorante prima “ingoiano” i fotoni, e poi li “sputano” di nuovo. Questo li porta alla temperatura della soluzione colorante, ossia, l’equivalente della temperatura ambiente.
Ad un certo punto, i ricercatori sono finalmente riusciti a rilevare una transizione di fase in un sistema di particelle di luce catturate. Gli autori della ricerca spiegano questa transizione come segue: gli specchi semitrasparenti causano la perdita e la sostituzione dei fotoni, creando uno squilibrio che fa oscillare il sistema.
Di conseguenza, si formano due fasi separate: la fase di oscillazione e la fase di smorzamento. In quest’ultima fase di smorzamento, l’ampiezza della vibrazione diminuisce gradualmente.
“La fase di super smorzamento che stiamo osservando corrisponde a un nuovo stato del campo luminoso”, ha citato in un comunicato stampa universitario il primo autore dell’articolo, Fahri Emre Öztürk, che è un giovane studente laureato dell’Istituto di fisica applicata.
Nel nuovo stato di luce scoperto “La fase di super smorzamento che stiamo osservando corrisponde a un nuovo stato del campo luminoso”, ha citato in un comunicato stampa universitario il primo autore dell’articolo, Fahri Emre Öztürk, uno studente laureato dell’Istituto di fisica applicata.
Gli autori notano che di solito l’azione di un laser non è separata dall’effetto del condensato di Bose-Einstein da una transizione di fase e non esiste un confine chiaramente definito tra questi due stati. Tuttavia, in questo esperimento, lo stato di super smorzamento del condensato ottico di Bose-Einstein è stato separato da una transizione di fase sia dallo stato vibrazionale che dalla luce di un laser standard.
“Questo dimostra che abbiamo a che fare con due fasi separate di un condensato ottico di Bose-Einstein”, afferma il professor Martin Weitz, leader dello studio.
Gli scienziati intendono utilizzare la scoperta del nuovo stato di luce per ulteriori ricerche per cercare nuovi stati del campo luminoso in più condensati di luce accoppiati che si presentano nei sistemi ottici. Sperano che in futuro la loro scoperta venga utilizzata nel campo della comunicazione quantistica, portandoci a superare nuove frontiere della scienza.
“Se opportuni stati di entanglement quantistico-meccanico sorgessero in condensati di luce legati, potrebbe essere interessante per la trasmissione di messaggi crittografati quantistici”, osserva Ozturk.
